什么是氫脆？

      氫脆（Hydrogen Embrittlement）是一種材料失效現象，指的是金屬材料（尤其是高強度鋼、鈦合金等）在應力和氫的共同作用下，其塑性和韌性顯著下降，從而導致脆性斷裂的現象。

       簡單來說，就是金屬“吸"了氫之后，變得又“脆"又“弱"，在遠低于正常斷裂強度的應力下就可能突然發生斷裂，而且常常沒有明顯的塑性變形先兆，危險性很高。

以下是氫脆的關鍵點：

1. 核心機制：
   

• 氫原子非常小，能夠滲透進入金屬的晶格內部。

• 在應力（外加應力或殘余應力）的作用下，氫原子會遷移并聚集在金屬內部的微觀缺陷處（如晶界、位錯、夾雜物附近等）。

• 氫在這些高應力區域聚集后，會：
  

• 降低金屬原子間的結合力（內聚力理論）： 使金屬更容易在應力作用下發生解理斷裂。

• 促進局部塑性變形和微裂紋的萌生與擴展（氫促進局部塑性變形理論）： 使裂紋更容易形成和擴展。

• 形成氫化物（在某些金屬中如鈦、鋯、鉭）： 氫化物本身就很脆。

1. 氫的來源：
   

• 加工過程：
  

• 電鍍/鍍層： 普遍的來源之一。在酸洗和電鍍過程中，陰極反應（析氫反應）會產生氫原子，部分會滲入基體金屬。

• 酸洗/化學清洗： 使用酸去除氧化皮或銹蝕時，酸與金屬反應會產生氫原子。

• 焊接： 焊接熔池會吸收空氣中的水分或油污分解產生的氫。

• 陰極保護： 過度的陰極保護電流會導致被保護結構表面析氫。

• 服役環境：
  

• 腐蝕反應： 金屬在酸、水或潮濕環境中腐蝕時，陰極反應會產生氫原子。

• 含氫氣氛： 在高壓氫氣環境或含硫化氫的油氣環境中服役。

• 高溫水環境： 如核電反應堆中的某些部件。

1. 主要特征：
   

• 延遲斷裂： 氫脆斷裂往往不是發生在吸氫或加載的瞬間，而是需要一段時間（幾小時、幾天甚至更長）讓氫擴散并聚集到臨界濃度。這是它與普通脆斷的重要區別。

• 對高強度材料敏感： 材料的強度級別越高，對氫脆越敏感。抗拉強度大于約 1000 MPa 的鋼尤其危險。

• 低應力斷裂： 斷裂應力遠低于材料的屈服強度或抗拉強度。

• 脆性斷口形貌： 斷口通常呈現脆性特征，如沿晶斷裂（裂紋沿晶界擴展）、準解理斷裂，有時在裂紋源區能看到“雞爪紋"等氫脆特征。

• 對溫度和應變速率敏感： 通常在室溫附近敏感性最高，應變速率較低時更易發生。

1. 影響因素：
   

• 氫濃度： 進入金屬內部的氫總量越高，風險越大。

• 氫陷阱： 金屬內部的缺陷（晶界、位錯、第二相粒子等）會“捕獲"氫原子。陷阱的類型和密度影響氫的分布和脆化程度。

• 應力水平： 應力（外加或殘余）是驅動氫遷移和聚集的必要條件，應力越高越危險。

• 材料因素： 強度等級、微觀組織結構（晶粒度、相組成）、合金元素、純凈度等。

• 溫度： 室溫附近最敏感，高溫下氫擴散快不易聚集，低溫下氫擴散慢且材料本身可能變脆。

• 時間： 氫擴散和聚集需要時間。

1. 防護措施：
   

• 控制氫的來源：
  

• 優化電鍍/酸洗工藝（如降低電流密度、使用緩蝕劑、縮短時間）。

• 電鍍后及時進行烘烤除氫處理：這是常用、有效的方法之一。將零件在相對較低的溫度（通常 190°C - 230°C，具體取決于材料和強度）下保溫數小時，讓氫擴散逸出。

• 焊接時使用低氫焊材，嚴格清潔坡口。

• 避免過度陰極保護。

• 材料選擇與設計：
  

• 在滿足強度要求的前提下，優先選用對氫脆敏感性較低的材料或較低強度等級的鋼。

• 避免設計上產生過高的應力集中。

• 降低殘余應力（通過熱處理如去應力退火）。

• 表面處理/涂層：
  

• 采用物理氣相沉積、化學氣相沉積等不會引入氫的涂層工藝替代電鍍。

• 施加致密的阻擋層（如油漆、塑料涂層）隔離金屬與含氫環境。

• 環境控制： 在服役環境中添加緩蝕劑，或控制環境中的氫分壓、濕度等。

總結：

氫脆是金屬材料（尤其高強度鋼）因吸收氫原子并在應力作用下導致韌性急劇下降、發生低應力脆斷的一種失效模式。它常見于電鍍、酸洗、焊接等加工過程以及腐蝕、高壓氫環境等服役條件中。其特點是延遲斷裂和對高強度材料的敏感性。防范氫脆的關鍵在于控制氫的引入、及時驅氫（烘烤）、合理選材與設計以及優化工藝和環境。由于其失效的突發性和災難性后果，在涉及高強度緊固件、彈簧、壓力容器、航空航天結構、石油鉆采設備等領域必須高度重視氫脆風險。